測繪工程專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)改革探究

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摘要：針對(duì)測繪工程專業(yè)課程改革中綜合實(shí)踐能力培養(yǎng)不足的問題，提出了一種測繪工程專業(yè)課程群半實(shí)物仿真實(shí)踐教學(xué)模式。以大學(xué)校園內(nèi)地物與地形分布情況合理構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)半實(shí)物仿真區(qū)，利用GIS技術(shù)構(gòu)建相應(yīng)的桌面式仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)重復(fù)性虛擬實(shí)踐訓(xùn)練、多樣化實(shí)踐技術(shù)手段、仿真化生產(chǎn)實(shí)踐，同時(shí)解決綜合性測量實(shí)驗(yàn)難以開出的難題，為提升測繪工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)效果進(jìn)行了改革探索。

關(guān)鍵詞：測繪工程；實(shí)踐教學(xué)；教學(xué)改革

數(shù)字地形測量學(xué)、大地測量學(xué)基礎(chǔ)、GNSS原理及其應(yīng)用、工程測量學(xué)(簡稱測繪工程專業(yè)課程群)是高等學(xué)校測繪工程專業(yè)非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)課，是集理論和實(shí)踐為一體的測繪工程專業(yè)課程群。這些課程均要求理論教學(xué)與現(xiàn)場實(shí)踐緊密相結(jié)合，從而加深學(xué)生對(duì)測繪專業(yè)基本理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決實(shí)際測繪工程問題的能力。近些年，我國測繪教育工作者為了取得更好的實(shí)踐教學(xué)效果做出了不懈努力[1-4]，其中，工程測量學(xué)課程改革研究較多[5-15]，眾多研究從工程測量學(xué)課程的教學(xué)與改革[6]、教材建設(shè)和教學(xué)方法[7]、課程內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)中的突出問題研究[8]、BTEC理念的引入[9]、實(shí)踐教學(xué)[10-11]、教學(xué)中的思考與建議[12]、理念體系優(yōu)化[13]等方面做了探討與分析，給出了不同的建議與教學(xué)實(shí)踐，同時(shí)，還有利用校園地物進(jìn)行工程測量實(shí)踐教學(xué)的探索活動(dòng)[14]及基于虛擬仿真技術(shù)的工程測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[15]。這些教學(xué)活動(dòng)的推進(jìn)，為持續(xù)提升測繪工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)效果奠定了理論與實(shí)踐基礎(chǔ)?？偨Y(jié)前人經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合作者多年實(shí)踐教學(xué)工作，本文提出利用校園地物與地形分布狀況，構(gòu)建測繪工程專業(yè)課程群半實(shí)物仿真實(shí)踐教學(xué)模式，設(shè)計(jì)測繪工程實(shí)踐教學(xué)半實(shí)物仿真區(qū)，主要包括角度測量仿真區(qū)、水準(zhǔn)測量仿真區(qū)、導(dǎo)線測量仿真區(qū)、數(shù)字測圖仿真區(qū)、GNSS控制網(wǎng)仿真區(qū)、工程放樣仿真區(qū)。同時(shí)，利用GIS技術(shù)研制相應(yīng)實(shí)踐模塊的桌面式虛擬仿真平臺(tái)，與半實(shí)物仿真區(qū)共同組建測繪工程專業(yè)課程群半實(shí)物仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，用于測繪工程專業(yè)課程群實(shí)踐教學(xué)，提升教學(xué)效果。

1測繪工程專業(yè)課程群實(shí)踐教學(xué)改革的必要性

1.1時(shí)展的需要

隨著推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)在我國高等教育教學(xué)中深入應(yīng)用的政策文件頻繁推出，如《國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《教育信息化“十三五”規(guī)劃》和《國家信息化發(fā)展戰(zhàn)略綱要》等，在2018年2月11日教育部辦公廳的《2018年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》明確指出推動(dòng)大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等新技術(shù)在教育教學(xué)中的深入應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實(shí)在高等教育教學(xué)中成為未來視聽教育的必然發(fā)展趨勢。相對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，半實(shí)物仿真技術(shù)是在虛擬仿真回路中接入部分實(shí)物的仿真，經(jīng)濟(jì)性、真實(shí)度更高，自20世紀(jì)60年代問世以來，應(yīng)用廣泛。

1.2面向生產(chǎn)實(shí)際教學(xué)的需要

從測繪類高校近些年來測繪工程專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)情況及生產(chǎn)單位反饋信息得出，生產(chǎn)單位更看重學(xué)生的動(dòng)手能力。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，提升學(xué)生動(dòng)手能力水平，縮小實(shí)踐內(nèi)容與生產(chǎn)現(xiàn)場之間的差異，培養(yǎng)優(yōu)秀的測繪工程技術(shù)人才，是測繪工程專業(yè)實(shí)踐教師在教學(xué)中應(yīng)考慮并著重解決的問題。

1.3系統(tǒng)性實(shí)踐訓(xùn)練的需要

測繪工程專業(yè)課程群是測繪工程專業(yè)基礎(chǔ)課與專業(yè)課的集成，是測繪工程專業(yè)學(xué)生畢業(yè)后面向生產(chǎn)時(shí)直接應(yīng)用的支撐課程。受實(shí)踐場地的地形、地物和場地面積等客觀條件約束，以及儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，眾多實(shí)踐內(nèi)容很難在校園內(nèi)全面開展，這對(duì)學(xué)生系統(tǒng)性理解與掌握測繪科學(xué)技術(shù)體系帶來一定的制約。綜合時(shí)展對(duì)測繪科學(xué)技術(shù)的沖擊與促進(jìn)，測繪工程專業(yè)學(xué)生需要以更全面、更系統(tǒng)性的專業(yè)技能知識(shí)投入生產(chǎn)過程，實(shí)踐教學(xué)中存在的不足使得測繪工程專業(yè)課程群實(shí)踐教學(xué)改革勢在必行。

2測繪工程專業(yè)課程群實(shí)踐教學(xué)改革

2.1實(shí)踐教學(xué)模式的現(xiàn)狀與不足

目前，針對(duì)測繪工程專業(yè)課程的教學(xué)改革模式眾多，其中，CDIO工程教育模式應(yīng)用與成果較多[16-18]。CDIO工程教育模式是國際工程教育改革的最新成果，取得了良好的教學(xué)效果，培養(yǎng)出深受企業(yè)歡迎的學(xué)生[18]。然而，測繪工程專業(yè)課程群實(shí)踐教學(xué)的難點(diǎn)并不在學(xué)生對(duì)實(shí)踐內(nèi)容的理解，而在于抽象的理論與現(xiàn)場實(shí)踐之間的銜接，進(jìn)而達(dá)到理論與實(shí)踐的有效統(tǒng)一，在實(shí)踐中培養(yǎng)解決復(fù)雜工程問題的能力。測繪工程專業(yè)課程群的課堂實(shí)驗(yàn)課時(shí)通常偏少，每個(gè)實(shí)驗(yàn)兩個(gè)課時(shí)，學(xué)生從認(rèn)識(shí)、學(xué)習(xí)、練習(xí)到完全掌握相關(guān)知識(shí)的時(shí)間受限，尤其是綜合性實(shí)驗(yàn)更是很難在兩個(gè)課時(shí)內(nèi)完成。教師在指導(dǎo)過程中受時(shí)間限制很難關(guān)注到每位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，這對(duì)自學(xué)能力較差的學(xué)生掌握實(shí)踐知識(shí)帶來挑戰(zhàn)。因此，傳統(tǒng)的測繪工程專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)模式無論采取過程化管理，還是強(qiáng)調(diào)考核的重要性，抑或引入新的理念，均無法從根本上解決學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)與提升的問題。

2.2半實(shí)物仿真實(shí)踐教學(xué)模式

為了實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐學(xué)習(xí)之間的有效銜接，本文提出一種半實(shí)物仿真實(shí)踐教學(xué)模式。該模式由“半實(shí)物仿真實(shí)踐教學(xué)功能區(qū)+桌面式虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)”組成，利用大學(xué)校園內(nèi)地物、地形分布現(xiàn)狀綜合考慮設(shè)計(jì)實(shí)踐環(huán)節(jié)半實(shí)物仿真場地，以GIS技術(shù)為支持，研制對(duì)應(yīng)半實(shí)物仿真場地的桌面式虛擬仿真平臺(tái)。通過半實(shí)物仿真與虛擬仿真組合的實(shí)踐教學(xué)模式，在虛擬仿真平臺(tái)完成綜合性實(shí)驗(yàn)預(yù)學(xué)習(xí)與重復(fù)練習(xí)，之后在半實(shí)物仿真區(qū)對(duì)照學(xué)習(xí)現(xiàn)場測量步驟，通過虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的對(duì)接，以縮小的半實(shí)物仿真場地支撐虛擬學(xué)習(xí)現(xiàn)實(shí)化，從而達(dá)到教與學(xué)有效結(jié)合。同時(shí)，桌面式虛擬仿真平臺(tái)還可以解決實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足而無法完成學(xué)習(xí)的問題，學(xué)生在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)之前先在虛擬仿真平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)、學(xué)習(xí)、練習(xí)，并通過重復(fù)練習(xí)達(dá)到掌握整個(gè)知識(shí)環(huán)節(jié)，從而解決課堂實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足、實(shí)驗(yàn)老師指導(dǎo)不足與實(shí)踐知識(shí)掌握達(dá)標(biāo)之間的矛盾問題。

3測繪工程專業(yè)課程群半實(shí)物仿真實(shí)踐教學(xué)模式

3.1半實(shí)物仿真實(shí)踐教學(xué)功能區(qū)

半實(shí)物仿真實(shí)踐教學(xué)功能區(qū)利用大學(xué)校園內(nèi)地形、地物分布現(xiàn)狀，對(duì)照不同測繪實(shí)踐內(nèi)容的現(xiàn)場情況，選擇整個(gè)校區(qū)作為GNSS控制網(wǎng)仿真區(qū)；利用校園道路作為水準(zhǔn)測量仿真區(qū)、角度測量仿真區(qū)、導(dǎo)線測量仿真區(qū)；利用校園內(nèi)具有高差起伏、地物復(fù)雜的區(qū)域作為數(shù)字測圖仿真區(qū)；利用運(yùn)動(dòng)場作為工程放樣仿真區(qū)。建立測繪工程專業(yè)課程群半實(shí)物仿真實(shí)踐教學(xué)功能區(qū)，在課堂實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)開展仿真生產(chǎn)現(xiàn)場的測繪實(shí)踐教學(xué)，從而改善實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。

3.2桌面式虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)

以GIS平臺(tái)為基礎(chǔ)，以高分辨率遙感影像、DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建校園三維可視化，以圖形、圖像、視頻、動(dòng)畫為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以過程模擬、重點(diǎn)講解、人機(jī)交互等方式，以測繪工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)半實(shí)物仿真區(qū)為目標(biāo)區(qū)，對(duì)照完成水準(zhǔn)測量、角度測量、導(dǎo)線測量、數(shù)字測圖、GNSS控制網(wǎng)建立、工程施工放樣等綜合性實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真，基于ArcGIS二次開發(fā)平臺(tái)研制測繪工程專業(yè)課程群實(shí)踐教學(xué)桌面式半實(shí)物虛擬仿真平臺(tái)，用于輔助實(shí)踐教學(xué)，豐富現(xiàn)有教學(xué)手段，改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)效果。桌面式虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)主界面設(shè)計(jì)如圖1所示。和生產(chǎn)實(shí)習(xí)完成，成本低廉，并可以按照不同學(xué)校教學(xué)大綱的設(shè)置自行定制開發(fā)，具備良好的自主性和擴(kuò)展性。

4結(jié)論

本文所提出的半實(shí)物仿真實(shí)踐教學(xué)模式可以打破目前測繪工程專業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐時(shí)間對(duì)學(xué)生的限制，實(shí)現(xiàn)學(xué)生“理論學(xué)習(xí)→感性認(rèn)識(shí)→桌面式虛擬實(shí)踐→半實(shí)物仿真實(shí)踐→再次虛擬實(shí)踐→系統(tǒng)化生產(chǎn)實(shí)習(xí)→生產(chǎn)實(shí)際”能力培養(yǎng)的完美銜接。桌面式虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)借助于計(jì)算機(jī)、地理信息系統(tǒng)、多媒體、人機(jī)交互等技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)簡潔仿真的桌面式實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，不需要購置專門的虛擬環(huán)境支撐設(shè)備，學(xué)生在任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)上安裝軟件即可進(jìn)入桌面型虛擬環(huán)境開展實(shí)踐學(xué)習(xí)，達(dá)到實(shí)踐教學(xué)要求。在不增加實(shí)踐經(jīng)費(fèi)、新設(shè)備、實(shí)踐場地的前提下，成為解決復(fù)雜測量綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)的有效技術(shù)途徑。同時(shí)，在虛擬仿真平臺(tái)上可以提供多種儀器設(shè)備的選擇，這為彌補(bǔ)目前實(shí)踐教學(xué)中受儀器種類的限制而方法單一提供了支持。地理信息系統(tǒng)原理課程及其實(shí)踐教學(xué)同樣是測繪工程專業(yè)的必修環(huán)節(jié)，這對(duì)研究與擴(kuò)展桌面式虛擬仿真平臺(tái)提供了良好的理論與技術(shù)背景，可以根據(jù)不同的教學(xué)目標(biāo)訂制不同實(shí)踐內(nèi)容組合，建立不同仿真區(qū)與仿真平臺(tái)，減少開發(fā)經(jīng)費(fèi)投入。而研究成果又可以擴(kuò)展到地理信息系統(tǒng)原理、3S技術(shù)基礎(chǔ)等課程教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)中，豐富這些課程的教學(xué)內(nèi)容，并鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，具有良好的促學(xué)效應(yīng)。

作者:張明媚 相興華 薛永安 單位:山西能源學(xué)院 太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院